Stirling-motoren. En oppgave av Reidar Andreas Brandsrud

Stirling-motoren. En oppgave av Reidar Andreas Brandsrud Demonstrer Stirling-motoren og forklar virkemåten. Drøft fordeler/ulemper ved bruk i framdriftssystem og legg vekt på miljøgevinster. En oppgave i faget ingeniørfaglig innføring, perioden 15.mai - 19.juni. 1

Innholdsfortegnelse. 1. Innledning Side 3. 2. Hva er en stirling motor? Side 3. 3. Hvordan virker en stirling motor? Side 3-4. 4. Alfa-motoren Side 4-9. 5. Beta-motoren Side 9-13. 6. Andre typer stirling motor Side 13-14. 7. Forvarmeren Side 14-15. 8. Hvor brukes stirling motor i dag? Side 15-16. 9. Fordeler med stirling motor Side 16. 10. Ulemper med stirling motor Side 16-17- 11. Miljøgevinster Side 17-18. 12. Oppsummering / Sammendrag Side 18-19. 13. Egen konklusjon Side 19. 14. Kilder Side 20. 2

1. Innledning. I dette dokumentet skal jeg forklare og gjøre greie for hvordan en Stirling-motor virker, hvilke fordeler / ulemper det er ved bruken av den, og eventuelt miljøgevinstene med å bruke denne typen motor kontra de andre valgmulighetene vi har. Dokumentet er delt inn i bolker der jeg drøfter de forskjellige punktene hver for seg etter hvordan jeg har sett det hensiktsmessig å dele de opp. 2. Hva er en Stirling-motor? En Stirling-motor er en motor av det slaget vi kaller en 'varmekraftsmaskin.' Veldig enkelt kan vi si at det er en maskin som tar i bruk / manipulerer varme og skaper det om til mekanisk effekt / energi, på lik linje med mange andre motortyper. Motoren ble oppfunnet av en skotsk prest, Robert Stirling i 1816 som i utgangspunktet var interessert i å finne en annen type maskinkraft enn det de hadde på den tiden som var trykkluftmotoren, fordi at denne hadde en lei tendens til å eksplodere eller å gi folk brannskader. Dette ledet isåfall til at Stirling fant opp noe han kalte for 'forvarmeren' som vi i dag kaller for en regenerator, og en motor som denne kunne brukes i. Regeneratoren brukes for å forsterke den termiske effektiviteten til maskiner, og denne motoren som den kunne brukes i er det som vi kaller for Stirling-motoren. I tillegg til dette kaller man alle motorer som drives av den såkalte "stirling-syklusen" for stirlingmotorer. Det finnes flere forskjellige typer sterlingmotorer, og de har litt forskjellige design og deler. Prinsippet er det samme, og jeg skal forklare litt om to av typene, alfa-sterling og beta-sterling. 3. Hvordan virker Sterling-motoren? Som nevnt tidligere er Sterlingmotoren en varmekraftmaskin, og maskinen drives av noe som kalles utvendig forbrenning. Det som menes med utvendig forbrenning er at oppvarmingen av gassen som brukes for å drive motoren skjer fra eksterne kilder, som ikke er en del av den "indre" motoren. For å bruke et eksempel på det motsatte har vi for eksempel ottomotoren(bensinmotor) som drives av en indre-forbrenning der gasseksplosjonen virker direkte på stemplene og skyver på disse, mens vi i 3

Sterlingmotoren varmer opp en gass inne i en sylinder med varme fra utsiden av sylinderen. Dette med utvendig forbrenning er felles for både beta og alfa motorene. Jeg kommer først til å gjøre greie for hvordan alfa-motoren fungerer, og tar beta-versjonen etterpå. 4. Alfa-motoren. Det som er særegent for alfa-motoren er at den bruker to stempler istedenfor én der disse stemplene er festet til en veivaksel. Hver av disse to stemplene står i hvert sitt rom der det ene rommet inneholder kald luft som i tillegg også på utsiden har et kjøleelement, og det andre rommet er rommet der gassen blir varmet opp gjennom ekstern oppvarming. Disse to rommene er forbundet med hverandre gjennom et rør, der det inni dette røret er en såkalt "forvarmer." Inne i dette systemet er det også en gass som vi kan kalle en arbeidsgass. Det finnes forskjellige drivgasser som er blitt brukt, men det mest vanlige er luft, men man kan også bruke f.eks helium eller hydrogen.det som er tanken bak valget av arbeidsgass er at gassen må være slik at den utvider og trekker seg sammen under de arbeidstemperaturene som vi kan være i stand til å utsette motoren for. Hvis arbeidsgassene så vidt, eller ikke utvider seg i det hele tatt ved forholdsvis lave temperaturer vil det gjerne kreve mer energi i form av ekstern varme for å varme opp arbeidsgassen enn det gir i utbytte fra motoren selv. Jeg går nå over på hvordan alfa-motoren faktisk virker. De to stemplene som jeg nevnte er forskjøvet i forhold til hverandre, der stempelet til den varme siden(la oss kalle dette stempel A) ligger 90grader foran stempelet til den kalde siden(la oss kalle dette stempel B). Grunnen til dette er at bevegelsen til hele veivakselen skal være slik at når stempel A har maks utslag, altså den varme sylinderen er "full" skal stempel B være på vei mot sitt maksimale utslag. Dynamikken i denne prosessen gjør til at stemplene følger hverandre rundt og står slik i forhold til hverandre at gassen kan flytte seg rundt, og dytte stemplene slik at vi kan overføre utvidelsen / sammentrekningen av gass til mekanisk energi på grunn av trykket gassen skaper / slipper opp. Det som skjer i prosessen er egentlig at arbeidsgassen inne i systemet blir varmet opp i det varme rommet ved hjelp av en ekstern varmekilde, og gassen i hele systemet blir utvidet. Når stempel A nå er så langt ute, samtidig som at stempel B i det kalde rommet er på vei til maks utslag, det er da gassen har maksimalt volum, altså mest plass å boltre seg i. Stempel A går så tilbake mot minimalt utslag og dytter den varme gassen inn mot det kalde rommet, og trykket i systemet synker. Etter dette går veivakselen som forbinder stemplene sin gang og stempel B begynner å gå tilbake samtidig som at stempel A går mot minimalt utslag. Det er nå gassen har sitt minste volum. Etter dette begynner gassen i den varme sylinderen å utvide seg igjen, og vi får prosessen på nytt. Forklaringen virker kanskje litt vanskelig å forstå, men jeg skal forklare ved hjelp av bilder litt mer detaljert hvordan de forskjellige fasene om man kan kalle det for det, fungerer. 4

Fase 1. I denne fasen, la oss kalle den for fase 1, har vi den situasjonen at det røde kammeret, det varme kammeret er i ferd med å bli fylt opp med gass som utvider seg. Gassen i hele systemet utvider seg da på en gang, og samtidig som gassen utvider seg og stempel A går mot venstre (mot fullt utslag) er stempel B også på vei oppover. (mot fullt utslag) Det vil da si at gassen får mer plass å utvide seg på, og gassen går mot sitt maksimale volum. Det er gassen som dytter stemplene utover og stemplene driver igjen hjulet, eller veivakselen de er festet til. Vi har da begynt å omdanne varmeenergi om til mekanisk energi. Vi kan her også se at stempel B ligger 90 grader etter stempel A, og følger på en måte etter stempel A igjennom hele prosessen. 5

Fase 2. I denne fasen ser vi det jeg forklarte litt tidligere. Stempel B har nå maksimalt utslag, og stempel A er på vei tilbake til minimalt utslag. Det er nå at gassen i systemet har det største volumet, og siden stempel A er på vei tilbake til minimalt utslag dytter den også den varme gassen i systemet mot det kalde rommet, der gassen vil bli kjølt ned og trekker seg sammen igjen. Trykket i systemet synker. 6

Fase 3. Stempel A har nå dyttet nesten all gassen inn i det kalde rommet, og stempel B bruker nå momentet fra veivakselen eller "hjulet" til å dytte sammen resten av gassen som er der. Gassvolumet er på vei mot minimum. 7

Fase 4. Stempel B er nå helt nede og gassvolumet er nå på sitt minimum. Oppvarmingen av gassen i det varme rommet begynner nå å dytte ut igjen stempel A, og vi er på vei tilbake til fase 1. Det er altså slik alfa-motoren virker. Det som er viktig å huske på er at på tegningene mangler det noen deler som gjør at prosessen egentlig ikke fungerer, men for forklaringens del er de tatt bort. I røret mellom det kalde og det varme rommet sitter det egentlig en regenerator som holder på varmen og flytter den mellom rommene, i tillegg til at det skal være noen varmeutveklsere i de 8

forskjellige kammerene for å holde på henholdsvis den varme og den kalde temperaturen, men viktigst av alt for å overføre henholdsvis den kalde / varme temperaturen fra sylindrene over til vesken / gassen. Det vil egentlig si at disse modellene her ikke i virkeligheten ville fungert, fordi man ikke ville klart å skape kraft ut av dem. Det finnes enkelte unntak, og det er spesielt i små modeller, der varmetapet vil være forholdsvis lite fordi at selve materialet modellen er laget av vil kunne klare å overføre noe temperatur som kan være nok til å drive prosessen, men for at man skal kunne bruke det til å drive noe vesentlig må man ha disse delene i tillegg. 5. Beta-motoren. Det neste jeg skal fortelle litt om er beta-versjonen av sterlingmotoren. Prinsippet for motoren er mye det samme, og denne motoren er også drevet av å flytte varm gass fra ett kammer til et annet, men selve oppbyggingen og noen av delene er ulike. I beta-motoren bruker man ikke to forskjellige kammere som blir linket sammen av et rør, men man bruker bare én sylinder med to forskjellige type stempler inni. Det ene stempelet her blir kalt for kraft-stempelet, fordi det er dette som dytter og blir dyttet på av gassen, mens det andre stempelet blir kalt for en fortrenger. Det som i hovedsak skiller disse to stemplene fra hverandre er at kraft-stempelet har en pakning på innsiden av sylinderen slik at denne er helt tett og ikke slipper noe gass ut av sylinderen, mens fortrengeren sitter løst inne i sylinderen og skal faktisk slippe gass igjennom på sidene slik at den varme gassen inne i sylinderen kan trekke forbi og frem til kraftstempelet når den blir oppvarmet. Fortrengeren bruker ikke noe av energien fra gassen som utvider seg, men er der kun for å skille rommene med kald og varm luft og får å "føre" gassen frem og tilbake. Begge disse to stemplene er montert sammen i en veivaksel på lik linje med alfa-motoren, som igjen veldig ofte er koplet på noe som kalles for et "flywheel" som egentlig ser ut som et stort hjul. Det er dette hjulet som skaper momentet, og det er her den mekaniske energien fra stemplene blir overført til. Litt mer i detalj er det som skjer at gassen i bakenden av sylinderen blir varmet opp og tar med seg fortrengeren fremover uten at den bruker noe av energien. Når det er kommet frem fortsetter trykket bak fortrengeren å øke og den varme gassen siver fremover på sidene av fortrengeren og frem i det kalde kammeret der trykket øker og kraftstempelet blir presset fremover. Måten veivakselen er montert på gjør at når kraftstempelet blir dyttet frem og når maksimalt utslag vil fortrengeren være på vei tilbake til bunnen av sylinderen og presser restene av gassen frem til det kalde rommet der det blir kjølt ned. Den nedkjølte gassen blir nå presset sammen av kraftstempelet som er på vei tilbake på grunn av momentet fra "hjulet" som veivakslene henger på, og prosessen kan gjentas. 9

På lik linje med alfa-motoren kan det være litt vanskelig å følge hvordan jeg tenker ut i fra teksten, så jeg vil gå frem på samme måte med denne motoren, og vise med bilder hva jeg mener og tenker. Vi kan også dele denne prosessen inn i fire deler. Fase 1. I denne fasen ser vi at kraftstempelet er på vei oppover. Slik som det er nå har kraftstempelet vært nede og presset den kalde luften fra den blå siden av kammeret ned igjennom fortrengeren og ned til den varme siden, hvor gassen blir varmet opp. Mesteparten av arbeidsgassen er nå nede i sylinderen under fortrengeren hvor den blir varmet opp. 10

Fase 2. Gassen blir nå varmet opp, siver igjennom fortrengeren fordi den øker i volum og trenger mer plass. Når den kommer igjennom dytter den på kraftstempelet som går oppover, og driver hjulet den sitter på. Gassen har nå størst volum og bruker mest plass. (Når kraftstempelet har maks utslag) 11

Fase 3. Fortrengeren beveger seg nå til bunnen av sylinderen og dytter resten av gassen som lå i bunnen opp mot den kalde delen av sylinderen hvor den blir nedkjølt. Gassvolumet er på vei nedover. 12

Fase 4. Kraftstempelet er nå på vei tilbake på grunn av hjulmekanismen, og dette komprimerer arbeidsgassen inne i sylinderen. Selve komprimeringen av gassen bruker forholdsvis lite energi, fordi at kjøleribbene på sylinderen kjøler ned den varme gassen slik at trykket synker og gassen trekker seg mer sammen. 6. Andre typer av sterlingmotoren. Det finnes en del andre varianter av sterlingmotoren, der folk har gjort små eller større endringer til drivverket, selve mekanismen, eller måter man oppvarmer den på. Jeg kommer ikke til å gå inn på noen andre av typene i detalj, men jeg legger ved en link hvor man kan finne flere av disse typene om man er interessert. Jeg kommer til å liste opp navnet på noen typer og skrive litt kort om dem, i tillegg til at jeg kommer til å skrive litt mer om én spesiell type: gamma-motoren. 13

Gamma-motoren: På mange måter lik en beta-sterling, forskjellen er at man i denne motoren skiller fortrengeren og kraftstempelet i to forskjellige sylindere som igjen er koplet sammen med et rør slik at trykkforskjellen kan bli overført mellom de forskjellige rørene. Drivverket her er igjen at begge stemplene er koplet sammen på et hjul der fortrengeren ligger 90 grader foran kraftstempelet på veivakselen. Sylinderen som inneholder fortrengeren er den delen hvor arbeidsgassen blir oppvarmet, og når gassen blir utvidet flytter denne gassen som nå tar mye mer plass seg gjennom røret og frem til kraftstempelet. Kraftstempelet blir dyttet fremover og mekanismen gjør at fortrengeren blir flyttet mens hjulet disse stemplene er koplet til går rundt. Ettersom at fortrengeren blir flyttet på og flytter på gassen inne i sin egen sylinder blir kjølt ned av kjøleribbene synker trykket, og kraftstempelet som kommer i retur dytter gassen sammen og tilbake gjennom røret opp til fortrengeren. Slik foregår prosessen så lenge det er tilstrekkelig tilgang på ekstern oppvarming. Fordeler: Er mekanisk sett enklere, og brukes ofte når man skal ha flere sylindre koplet sammen i såkalte multi-sterling-motorer. Ulemper: Dette oppsettet har ofte en litt dårlige kompresjonsratio, altså gassen utvider seg mindre og trekker seg mindre sammen. Det vil si at påvirkningen på stemplene blir svakere, og effekten fra motoren blir mindre. Termoakustisk-motor: Teknisk sett ikke en stirling motor fordi den virker ikke ved hjelp av ekstern varme, men ved hjelp av energirike lydbølger. Er på listen fordi at den følger en såkalt sterling syklus, men på en litt annen måte. Inneholder stort sett ikke en fortrenger. Flat stirlingmotor: Ikke-mekanisk motor som består av en generator, og membraner. Stempelfri-stirlingmotor: Motor som ikke inneholder stempler, men består av elektrisititet, pumper, og / eller fjærer. Veldig mange av de alternative modellene er ofte lite utprøvd, men mange av modellene er patentlagt, og under utvikling. Det som er hovedpoenget er at det finnes mange løsninger, og det som avgjør om det er en form for stirlingmotor er hovedsakelig at de bruker den såkalte stirlingsyklusen, som er dette prinsippet med å flytte varm og kald gass rundt. 7. Forvarmeren. Jeg har nevnt denne såkalte forvarmeren ved en del anledninger nå, og vil nå gå litt nærmere inn på hva dette egentlig er for noe. Jeg skrev tidligere at dette er det som gjør sterlingmotoren spesiell, og at det derfor er en meget 14

viktig del av motoren, selv om den ikke er vist på disse figurene tidligere. Forvarmeren finner vi mellom det kalde og det varme "rommet" i motoren. Det forvarmeren, eller regeneratoren som det blir kalt i dag gjør er at den holder på den varmen som ellers ville ha forsvunnet ut som spillvarme mellom fasene i motoren der den er på sitt kaldeste og sitt varmeste. Forvarmeren er en del som all arbeidsgassen må gå igjennom når den blir presset / komprimert rundt i sylindrene / systemet, og det er i denne fasen at den lagrer noe av denne varmen. Fordelen med dette er at prosessen må ikke startes opp igjen fra start hver gang, men den har allerede litt varme internt i systemet som den kan ta av istedenfor at det forsvinner som spillvarme. Dette sparer energi, og det øker også effekten til varmeutvekslerne som finnes i systemet. (De som faktisk tilfører systemet varme) Det at motoren inneholder denne forvarmeren eller regeneratoren er grunnlaget for sterlingsyklusen og er det som virkelig bestemmer om motoren er en sterling motor eller ikke. Mange miniatyrversjoner av såkalte stirlingmotorer inneholder ikke en regenerator, men virkemåten er ganske lik. Disse fungerer fordi at siden de er så små er varmetapet minimalt, og effektbehovet / varmebehovet som må tilføres er ganske lite. Allikevel burde ikke dette kalles for en ekte stirlingmotor, men heller en steam-motor. Utfordringer med regeneratoren: det som ofte er en utfordring med forvarmeren / regeneratoren er plassen den tar, og motstanden den lager inne i systemet. Ideelt sett skal regeneratoren gi minimal motstand til systemet slik at så mye energi som mulig kan gå til selve prosessen, og ikke til å komme seg forbi denne delen. En annen ting som er viktig er hvor mye plass regeneratoren tar. Det vi ønsker er at mest mulig av plassen inne i motoren skal kunne brukes til å la gassen utvide seg, og jo mer plass denne delen tar, jo mer "dødplass" får vi i motoren som vi ikke får utnyttet til selve prosessen. Ofte er det vanlig å bruke noe form for metall som holder godt på varme og tar lite plass som regenerator. Ved siden av det er det ønskelig at tettheten i metallet er høyt for å minske plassforbruk, samtidig som at metallet må kunne absorbere varme hurtig. 8. Hvor brukes stirlingmotor i dag? Det beste og mest relevante bruktsområdet for stirlingmotor i dag(for oss) finner vi på den svenske ubåtklassen gotland-klassen der de bruker stirlingmotoren som en generator for å lade opp strøm under vann. Selv sier de at dette gjør at ubåten kan være flere dager, opp til en uke lenger under vann. Fordelen med en slik motor i den sammenhengen er at man kan bruke alt sjøvannet som ligger rundt til kjøling, og at motoren er svært stillegående som igjen er et viktig krav for ubåter. Motoren brukes også til andre ting, blant annet til å drive forskningslabber i USA, der de forsyner hele laboratoriet med energi fra en eller flere sterling motorer. Det finnes også andre ting som blir drevet av denne typen motor, eksempelvis Plataforma Solar de Almería som er en forskningsstasjon der de utforsker bruken av solkraft, da også til bruk for sterlingmotorer. I 1986 gikk NASA også ut og sa at de var interessert i å bruke stirlingmotoren i en modifisert versjon til å drive fartøyer i verdensrommet ved hjelp av solkraft. De mente at dette var en mulighet de kunne anvende for å sende fartøyer ut i det ytre rommet. Hvor vidt denne idéen ble realisert eller forkastet vet jeg ikke. 9. Fordeler, ulemper, og miljøgevinster ved sterlingmotoren. Når vi skal se på fordeler, ulemper, og miljøgevinster ved sterlingmotoren må vi sammenlikne med de andre motortypene som vi har som alternativer. Da avhenger det igjen av hva vi skal bruke 15

motoren til. Det er en kjent sak at stirlingmotoren ikke egner seg spesielt godt som bilmotor eller til å drive andre ting som må kunne øke energitilførselen på kort varsel. Prosessen tar rett og slett for lang tid i forhold til f.eks bensinmotoren som blir drevet av en eksplosjon og har nesten umiddelbar virkning. Jeg kommer her til å dele inn i tre nye bolker, der jeg til slutt skriver litt om eventuelle miljøgevinster og ikke minst muligheter vi har for forbedring til sterlingmotoren. 9. Fordeler: Fordelene vi har ved bruk av stirlingmotoren er at konseptet i grunn fungerer på en veldig enkel og ukomplisert måte. Mekanismen er enkel, og hvis man ser på en enkel type / modell kan man faktisk lage en stirling-motor av ting man finner i hjemmet. Noe av det som kanskje er det beste og viktigste med denne typen motor er at den kan drives ved bruk av nesten hvilken som helst varmekilde. Dette gjør at du kan bruke f.eks spillvarme fra fabrikker, atomoppvarming, levende ild, solceller, og andre ting for å sette i gang prosessen og motoren, noe som gjør at motoren vil være billig i drift, og lett å få i gang. Motoren er også svært stillegående, og har en svært liten risiko for å eksplodere fordi at arbeidsgassen har omtrent det samme interne trykket til enhver tid som den hadde i utgangspunktet, og vil derfor ikke eksplodere. Til forskjell fra en bensin / diesel motor er det også slik at en stirlingmotor er svært lett å starte opp og få i gang, selv om den er treg i starten og blir raskere etter at den er blitt varm. Motoren kan startes i kaldt og varmt vær uten spesielt store vansker, i motsetning til bensin og diesel motorer som kan være vanskelige å starte i kaldt vær. Det er sagt at denne typen motor kan konkurrere med forbrenningsmotorene opp til 100kW, som tilsvarer ca 136hk. Man kan på mange måter si at jo mindre motoren er, dess bedre vil stirlingmotoren være i forhold til konkurrentene. Sist, men ikke minst er stirlingmotorer svært fleksible, i form av at de kan brukes til oppvarming om vinteren, og nedkjøling om sommeren. Kort oppsummert Enkel Kan drives med nesten alle varmekilder Stillegående Billig i drift Lett å starte Lav eksplosjonsfare 10. Ulemper: Listen over ulemper er desverre lang, og er en stor grunn til at bruken av motoren ikke er så veldig utbredt i dag. Jeg kommer ikke til å skrive om alle, men tar for meg en håndfull. En stor ulempe med denne typen motor er prisen. Inni motoren jobbes det med høye temperaturer, og spesielt pakningene på stemplene må være i stand til å tåle varmen og slitasjen som blir 16

påført i arbeidsprosessen. I tillegg må det være slik at den varmeutveksleren som skal overføre varmen fra den eksterne varmekilden til arbeidsgassen må være i stand til å overføre store mengder med varme, og den må tåle dette over lang tid. Prisen på varmeutveksleren er ofte derfor opp mot 40% av prisen på hele motoren. Størrelsen på disse motorene er ofte også veldig store i forhold til hva forbrenningsmotorene er, som igjen gjør dem u-ideelle for mange. Denne store størrelsen kommer for eksempel av de store temperaturforskjellene som må være i de forskjellige sylindrene i motoren, og siden man ønsker å nedkjøle gassen raskt på den kalde siden må man ha store kjøleribber på den kalde siden av motoren, som bare blir større og større jo høyere temperaturer man jobber med. Valg av gass er også en annen vanskelig affære. Den mest ideelle gassen å bruke som arbeidsgass er en gass som har lav varmekapasitet, slik at temperaturen i gassen endres fort, og ved små temperaturforandringer. Helium ville vært best på grunn av den lave varmekapasiteten, men hydrogen er den kraftigste gassen. Problemet med hydrogen er igjen at den lave molekylære vekten gjør at hydrogenet lekker rett igjennom beholderene, og helium må kjøpes i beholdere, som igjen er svært kostbart. En av de største grunnene til at vi ikke kan bruke denne typen motor i biler og andre kjøretøy er også at motoren bruker forholdsvis lang tid på å få større fart i forhold til en bensin / diesel motor som er drevet ved hjelp av eksplosjoner der man får virkningen med en gang. Et annet problem er jo at i samme slengen må man ha en ekstern varmekilde, og man kan igjen da vurdere hvor vidt det lønner seg med en slik type motor når man må ha en energikilde for å drive en annen. Som driftssystem kommer også igjen størrelsen inn, og dess mer kraft vi ønsker å ha i motoren, jo større blir delene, da spesielt kjølesiden. Som driftsmotor blir den derfor lite ideell hele veien over den nevnte grensen, spesielt på grunn av akselerasjonen, men også på grunn av vekten og størrelsen på selve motoren. Kort oppsummert Pris, størrelse, og vekt Stor innvendig slitasje Ofte lav utnyttelse av arbeidsgass Lang tid på å komme opp i fart Du må ha en varmekilde koplet til 11. Miljøgevinster og muligheter: Jeg skrev litt tidligere at det finnes allerede en del forskjellige typer stirlingmotorer, og det finnes garantert like mange ideér som varianter. To meget interessante varianter er motoren som er drevet av solcelle-energi, og motoren som er drevet på spillvarme. Dette gir muligheten til å utnytte samme typen kilde flere ganger, og til å utnytte energi som vanligvis bare går til spille. På mange måter kan vi håpe på at det er et steg inn i fremtiden, og at dette er en potensiell arvtaker til forbrenningsmotorene som går på fossilt brennstoff. Stirlingmotoren har i motsetning til diesel og bensinmotoren ikke noe miljøskadelig utslipp, og er derfor mye mer miljøvennlig. Dette er en sannhet med modifikasjoner, fordi at selv om motoren selv 17

ikke har noe utslipp så vil kanskje varmekilden den bruker ha det, eksempelvis en atomreaktor, eller et bål. Alt i alt vil jeg ihvertfall si at hvis man klarer å skaffe en miljøvennlig varmekilde, eksempelvis solceller, så vil man få et mye større utbytte rent miljømessig enn med en forbrenningsmotor, rett og slett fordi at motoren i seg selv ikke har noe miljøskadelig utslipp. Alt er derfor avhengig av hvilken varmekilde man klarer å anvende. Kort oppsummert Muligheter for variasjon og utvikling Energikilde kan gjenbrukes Ren energi, ikke noe utslipp 12. Oppsummering. Jeg avslutter det hele med en oppsummering av hva som er blitt sagt, og en liten kommentar på slutten om hva jeg selv tenker om stirlingmotoren. Stirlingmotoren er en varmekraftmaskin som er drevet av å flytte en arbeidsgass mellom et kaldt og et varmt rom, der gassen i det varme rommet blir varmet opp slik at den ekspanderer og skyver på et stempel, slik at stempelet igjen driver et hjul ved hjelp av en veivaksel. Etter dette blir gassen kjølt ned i det kalde rommet og sendt tilbake til det varme rommet for å gjenta prosessen. På den måten kan man bruke ekstern oppvarming på et system slik at man ved hjelp av en varmeutveklser kan omdanne varme brukt på et system til mekanisk energi. Så lenge man kan tilføre systemet varme vil prosessen fungere. (Gitt at delene ikke går i stykker) Vi har mange forskjellige typer motorer, der de to viktigste er alfa og betamotorene, som i prinsippet er like, men oppbygningen og mekanismen er litt annerledes. Resultatet blir det samme. En svært viktig del av stirlingmotoren er den såkalte forvarmeren / regeneratoren. Denne delen finner vi i mellom det varme og det kalde rommet uavhengig av variant, og oppgaven dens er å holde på varmen som går igjennom systemet når den varme gassen ekspanderer og gassvolumet er på sitt største. Når så gassvolumet synker fordi at gassen blir kjølt ned å presset sammen skal regeneratoren holde på noe av varmen og hjelpe prosessen i gang igjen slik at den ikke må begynne på nytt. Dette gjør at prosessen går fortere, krever mindre energi, og den hjelper også til med varmeutvekslingen som blir gjort når den eksterne varmen skal overføres til gassen inne i systemet. Krav til regeneratoren er; lite plassforbruk, gode varmelederegenskaper, og tålbarhet. Det finnes mange fordeler og ulemper med en stirlingmotor, der vi kan si at de største fordelene ligger i at motoren er ganske enkel, stillegående, kan drives med nesten alle varmekilder, og at den er billig i drift. Beklageligvis finnes det også mange ulemper med motoren per i dag, og disse er nok 18

hovedgrunnen til at bruken av motoren ikke er så utbredt. De viktigste ulempene er: pris, størrelse, vekt, lang tid på å komme opp i fart, valg av arbeidsgass. Når det kommer til miljøgevinster og muligheter er det slik at motoren i seg selv ikke har noe utslipp, og den eneste forurensingen fra motoren er det som varmekilden slipper ut. Her handler det om hvilke kilder man velger å bruke, men her har man også potensielt sett muligheter for å bruke fornybare, evigvarende ressurser som vil gjøre selve driftsprosessen både billig og effektiv. Jeg vil altså påstå at rent miljømessig er det mange fordeler ved bruk av motoren, så lenge man kan klare å finne en varmekilde som ikke forurenser mye, og som er lett anvendelig. 13. Egen konklusjon. Generelt sett synes jeg at stirlingmotoren virker som et meget smart og bra prosjekt. Problemet i dag virker å være den begrensede muligheten til bruk og anvendelse av fornybare energikilder som for eksempel solkraft. Hvis vi klarer å utvikle den, eller en annen idé som kan utnytte evigvarende energikilder så vil stirlingmotoren være høy-ideell fordi at den ikke har noe miljøskadelig utslipp, og den vil alltid fungere så lenge det er tilgang på varme. Det gjør at vi har en motor som kan fungere på de premissene som det blir presset hardt på i dag, altså det å få ned bruken av fossilt brennstoff og senke forurensingen. Det som er positivt og gledelig er at motoren blir fortsatt / allerede brukt av enkelte institusjoner, og det vil antakeligvis si at dette ikke er teknologi som er lagt på is, men snarere tvert imot teknologi som folk er interessert i å se på og utvikle videre. Allikevel så kan man gjerne sette spørsmålstegn ved mulighetene for å bruke denne typen motor som driftssystem. Omdanningen av varmeenergi til mekanisk energi på denne måten går for treigt, og med mindre man finner en gasstype som kan få prosessen til å gå vesentlig raskere og mer "eksplosivt" er jeg redd for at dagens krav til fart og akselerasjon vil være for vanskelige å møte. Allikevel tror jeg at en dag kan vi se stirling motoren anvendt flere steder, gjerne i et annet format enn i dag, spesielt til støttesystemer som dynamoer, generatorer, og driftsmotorer der akselerasjon og hurtig endring i behov for mer mekanisk energi er lavere. 19

13. Kilder. En oversikt over de kildene jeg brukt i løpet av prosjektet. Gamma Stirling Engine Animation & How it Works http://www.youtube.com/watch?v=lrn5o9qvl8w Beta Stirling Engine Animation & How it Works http://www.youtube.com/watch?v=mrarmbbie5q how a stirling engine works http://www.youtube.com/watch?v=dvoj-saoqjq Road testing a Stirling engine powered buggy, (filmed in Norwich England, 2001) http://www.youtube.com/watch?v=qs5x91czbty Stirlingmotor http://no.wikipedia.org/wiki/stirlingmotor Stirling engine http://en.wikipedia.org/wiki/stirling_engine Regenerative heat exchanger http://en.wikipedia.org/wiki/regenerative_heat_exchanger Plataforma Solar de Almería http://en.wikipedia.org/wiki/plataforma_solar_de_almer%c3%ada Gotland-class submarine http://en.wikipedia.org/wiki/gotland-class_submarine 20